CN101349197A - 对转旋喷发动机 - Google Patents

Abstract

一种能显著提高热效率，降低污染排放、制造成本和维护费用的对转旋喷发动机。它是利用发动机的旋转喷气涡轮从切向喷口高速喷出燃气而使旋转喷气涡轮自身反向旋转从而实现将燃气内能转换成机械能的原理而进行工作的，同时它还利用切向冲击涡轮回收旋转喷气涡轮喷出后的燃气动能，利用回热器实现回热循环，采用对转轴流和对转离心压气技术获得高的总增压比，采用旋转火焰筒技术获得高的涡轮前燃气温度，采用新颖的结构设计大幅减少零部件数目和贵重材料的消耗，采用圆锥齿轮－超越离合器动力合流机构实现旋转喷气涡轮和切向冲击涡轮机械能的动力合流输出，因此具有很高的能量转换效率、较低的制造成本和污染排放。

Description

对转旋喷发动机

所属技术领域

本发明涉及轴功率发动机，特别指车用、船用、航空用、发电机组和工程机械用轴功率发动机。

背景技术

目前，公知的轴功率发动机追求的性能目标是：尽可能高的热机效率、尽可能低的排气污染和制造成本。对于涡轴发动机来说，实现高热效率的途径是，提高总增压比，提高涡轮前燃气温度；实现低排气污染的途径是，提高燃烧效率；实现低制造成本的途径是，简化结构，降低材料成本和工艺成本。但是，传统的涡轴发动机的压气机采用单旋向转子叶片和静子叶片组成一个压气单级，单级增压比较低，制造成本却很高；继续提高涡轮前燃气温度，将使燃烧室火焰筒和涡轮工作环境更加恶劣，并且，采用高的总增压比使燃烧室进口气流温度升高，降低了冷却气流的吸热能力，这使得传统的火焰筒、涡轮冷却技术不再有效。

提高热效率的另一途径是增加回热循环。从提高热效率角度来说，回热器只能装在涡轮出口后，从压气机出口引导气流进入回热器，换热后再将气流送回燃烧室入口。现有的涡轴发动机燃烧室入口到涡轮出口有相当一段距离，需要设计复杂的气流通道来回输送气流。气流通道和回热器不但要增加发动机的重量和体积，还要增大总压损失，从而抵消了回热器带来的效益，这也是传统的涡轴发动机至今没有采用回热循环的原因所在。

发明内容

为了克服现有的涡轴发动机单旋向压气机压气效率低，火焰筒和涡轮工作环境恶劣，不能实现回热循环等不足，本发明提供一种对转旋喷发动机，该发动机不仅能大幅度提高发动机的热效率和降低制造成本，还能降低有害气体排放和降低寿命期使用维护费。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：1、利用NGW负号机构驱动对转轴流压气机进行对转轴流压气；2、设置一个一端能轴向进气、另一端有离心压气叶片、周向有切向喷口的零件——旋转喷气涡轮，涡轮内表面和喷口内表面喷有热障涂层，其外圈另设置一个一端有切向涡轮叶片、中间有离心压气叶片的零件——切向冲击涡轮，并使二者嵌合，旋转喷气涡轮的切向喷口与切向冲击涡轮的切向涡轮叶片相对应，旋转喷气涡轮的离心压气叶片与切向冲击涡轮的离心压气叶片相对应，利用旋转喷气涡轮和切向冲击涡轮驱动对转离心压气机进行对转离心压气；3、设置两个火焰筒并固联在旋转喷气涡轮上，火焰筒的内、外壁上开有许多轴线平行于切向但不过切点的小孔，外壁小孔前移，内壁小孔后移(顺着切向看)，利用发动机工作时火焰筒的旋转将冷却气流撞进火焰筒形成旋转气壁，从而改善火焰筒和涡轮的工作环境，同时提高燃烧效率；4、利用旋转喷气涡轮将燃气内能转换成机械能，利用切向冲击涡轮回收旋转喷气涡轮后燃气动能；5、在切向冲击涡轮外圈空间设置回热器，增加回热循环，回热器采用翅片式换热管，其端部空腔可作为离心压气机的径向扩压器，换热管管内空腔则可作为轴向扩压器；6、设置圆锥齿轮-超越离合器机构，利用其实现起动力矩的输入和切向冲击涡轮机械能与旋转喷气涡轮机械能的动力合流输出。

发动机起动时，起动/发电机通过中介圆锥齿轮将扭矩输入到圆锥齿轮-超越离合器机构和NGW负号机构，分别驱动对转轴流压气机和对转离心压气机开始对转压气，气流经轴流、离心对转压气后进入回热器扩压，扩压后进入燃烧室。一部分气流经火焰筒内、外壁上的小孔进入环形燃烧室，一部分与燃油喷嘴喷出的燃油掺混，被电火花点燃开始燃烧，产生高温高压燃气，从旋转喷气涡轮的切向喷口高速喷出，在动量矩作用下旋转喷气涡轮开始反向旋转(相对于燃气速度方向)。喷出的燃气冲击在切向冲击涡轮的叶片上使切向冲击涡轮开始同向旋转(相对于燃气速度方向)。发动机达到自持转速后切断起动电流，反过来由切向冲击涡轮驱动起动/发电机继续旋转，起动/发电机开始发电，发动机进入正常工作状态。正常工作时，气流经轴流、离心对转压气后进入回热器，一边扩压一边吸收换热管管壁的热量，同时冷却换热管外的涡轮后燃气，内能得到很大提高，然后进入燃烧室并分为三路，第一路经燃油喷嘴与燃油混合后喷入火焰筒成为油气掺混气流并燃烧，第二路由火焰筒头罩与火焰筒壁之间缝隙进入火焰筒成为助燃气流，第三路则进入燃烧室内、外壳与火焰筒内、外壁之间成为冷却气流。油气掺混气流在火焰筒内燃烧后成为高温高压燃气，沿轴向进入旋转喷气涡轮内，然后转为径向流动，流入旋转喷气涡轮外侧的切向喷口。热燃气在喷口内转弯、膨胀，以很高的速度沿切向喷出，在动量矩作用下使旋转喷气涡轮高速反向(与燃气速度方向相反)旋转，完成燃气内能第一次向机械能的转换，机械能则通过旋转喷气涡轮外表面的压气叶片传递给旋喷涡轮盘，再经主轴向外输出。从切向喷口喷出的燃气则以很高的速度冲向嵌合在旋转喷气涡轮外圈的切向冲击涡轮叶片，把动能传递给切向冲击涡轮，使切向冲击涡轮高速同向(与燃气速度方向相同)旋转，实现燃气内能第二次向机械能的转换。切向冲击涡轮把机械能经圆锥齿轮传递给起动/发电机发电，剩余机械能传给超越离合器的外环使其一起旋转。若此时超越离合器外环转速小于内环转速(内环与主轴固接)，离合器超越，负载由旋转喷气涡轮单独驱动。若负载增大，主轴转速下降，超越离合器外环转速大于内环转速时，离合器接合，负载由旋转喷气涡轮和切向冲击涡轮共同驱动。做功后的燃气进入回热器内腔，在回热器里通过换热管管壁与从压气机出来的新鲜空气进行热交换，加热新鲜空气而自身被冷却，最后排入大气完成热力循环。发动机停车时，切断燃油供给，对转涡轮失去动力来源，转速下降。这时，由控制系统给出信号，起动/发电机进入起动状态，继续驱动压气机旋转，冷却回热器和燃烧室直至其温度下降到设定温度，最后切断电源，起动/发电机停止工作，发动机完全停车。

本发明的有益效果是：1、通过采用对转压气技术，压气效率提高，气流流程缩短，总压损失减小，从而获得高的总增压比；对转压气无静子叶片，转子支撑轴向距离短，结构紧凑，旋转稳定；2、通过采用旋转火焰筒技术，总压恢复系数高，提高了燃烧温度；由于存在旋转气壁，减小了对燃油喷嘴雾化效果的依赖，保证了即使在慢车状态雾化性能仍然相当良好，燃烧稳定范围宽，燃油燃烧连续干净彻底，并能使用多种燃料；火焰筒和旋转喷气涡轮温度分布均匀，热应力小，不容易产生蠕变屈曲和裂纹，使用寿命长，火焰筒可以采用相对廉价材料制造；由于是短直流环形燃烧室，燃气在高温区停留时间短，氮氧化合物排放低；3、通过采用对转涡轮技术，能量转换效率提高，并且能有效地抑制涡轮噪声，抵消陀螺力矩；4、采用对转涡轮和对转离心压气后，使得涡轮出口与压气机出口仅一壁之隔，利用燃气加热空气和利用空气冷却燃气变得简单易行，轻松实现回热循环；由进气道、对转压气机、径向扩压器组成的气流通道，巧妙地将发动机高温部件与其他部件隔开，使得其他部件的工作环境变得非常适宜，润滑、冷却变得非常简单；5、通过采用新颖的结构设计，减少了零部件数目，零件效率高。回热器中的换热管管与管之间的间隙和波瓣式集气壳构成了涡轮后燃气的排气通道，有着良好的消音效果；换热管管内通道则构成了进气气流的轴向扩压器；换热管的翅片即能扩大热交换面积，又能对涡轮后燃气扰流，降低排气速度和改善气流混合；因此，回热器既是热交换器，也是扩压器，还是消声器；旋转喷气涡轮上的散热翅片，其实就是离心压气机的压气叶片，对离心压气机来说，旋转喷气涡轮的散热翅片就是压气叶片，对旋转喷气涡轮来说，离心压气机的压气叶片就是散热翅片；不但如此，散热翅片还是旋转喷气涡轮的支撑支板和功率传递构件；类似地，切向冲击涡轮轮盘其实也就是对转离心压气机中的外叶轮轮盘。对离心压气机来说，切向冲击涡轮散热翅片就是压气叶片，对切向冲击涡轮来说，压气叶片既是散热翅片，也是支撑支板，同时还是功率传递构件，因此，旋转喷气涡轮(或者叫对转离心压气机内叶轮)和切向冲击涡轮(或者叫对转离心压气机外叶轮)，既是换能部件，也是压气部件，还是冷却部件，更是承力和传力部件；6、取消了涡轮导向叶片，使涡轮零件数目减少，重量减轻，发动机整体结构变得简单，不但提高了整机工作稳定性和可靠性，还减少了贵重耐热金属材料的消耗；7、对外输出方便灵活，只要改变超越离合器的超越条件，把起动/发电机与主轴连接，而通过中介圆锥齿轮来驱动负载，就很容易将发动机输出轴由同轴输出改变为垂直输出。总之，本发明采用了全新的工作原理，改善了发动机热力循环特性，整体提高了发动机的热效率，降低了制造成本和维护费用，是一款新颖的高效廉价、绿色环保发动机，在当今轴功率发动机市场上具有很强的商业竞争能力。其诱人的燃油经济性和优良的动力特性，为小型和微型飞行器提供了理想的动力装置，使至今唯一没有得到完全开发的小型和微型飞行器市场能够得以迅速发展成为可能。研究表明这种发动机是有生命力的，在发动机技术的诸多方面也将带来重大有益效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的左视图(附件略)。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是本发明的前视图(附件略)。

图4是图3的B-B剖视图。

图5是图3的C-C剖视图。

图6是火焰筒的前视图，D-D是它的剖视图，视图A是D-D的局部视图。

图7是火焰筒的前视图，E-E是它的剖视图，视图B是E-E的局部视图。

图8是圆锥齿轮-超越离合器机构的等轴测视图。

图9是旋转喷气涡轮的等轴测视图。

图10是切向冲击涡轮的等轴测视图。

图11是本发明的等轴测剖视图(附件略)。

图2中1.端盖，2.轴承座，3.中介齿轮，4.中心齿轮，5.中心齿轮轴，6.内齿轮及轴，7.进气机匣，8.对转轴流压气叶轮，9.螺母，10.对转轴流压气叶轮，11.螺母，12.油封，13.燃烧室内壳，14.燃油喷嘴，15.火焰筒头罩，16.旋转喷气涡轮轴，17.导风轮，18.旋转喷气涡轮，19.旋转喷气涡轮盘，20.螺母，21.火焰筒外筒，22.火焰筒内筒，23.主轴，24.切向冲击涡轮，25.切向冲击涡轮轴，26.圆锥齿轮，27.中介圆锥齿轮，28.圆锥齿轮，29.超越离合器，30.端盖，31.轴承支撑架，32.端盖，33.动力合流机匣，34.切向冲击涡轮支撑机匣，35.回热器机匣盖，36.分气盘，37.换热管座板，38.换热管座板(燃烧室外壳)，39.回热器机匣盖，40.翅片式换热管，41.拉杆螺栓，42.拉杆螺母，43.回热器集气壳，44.拉杆螺栓套管，45~52.轴承，53~64.螺钉。

具体实施方式

在图2中，中介齿轮(3)，中心齿轮(4)，内齿轮及轴(6)，构成NGW负号机构；对转轴流压气叶轮(8)安装于内齿轮及轴(6)的另一端轴伸，用螺母(9)固联；对转轴流压气叶轮(10)安装于中心齿轮轴(5)上，用螺母(11)固联；对转轴流压气叶轮(8)与对转轴流压气叶轮(10)旋转方向相反，构成对转轴流压气级；导风轮(17)，旋转喷气涡轮(18)，旋转喷气涡轮盘(19)，安装于旋转喷气涡轮轴(16)上，用螺母(20)固联；旋转喷气涡轮盘(19)与主轴(23)用螺钉固联，对外输出转矩；燃烧室内壳(13)上装有燃油喷嘴(14)和火焰筒头罩(15)；火焰筒外筒(21)，火焰筒内筒(22)均固联于旋转喷气涡轮(18)上；切向冲击涡轮(24)与切向冲击涡轮轴(25)用螺钉固联；旋转喷气涡轮(18)与切向冲击涡轮(24)嵌合，构成完整的对转涡轮级，同时，二者的散热翅片构成完整的对转离心压气级；切向冲击涡轮轴(25)上装有圆锥齿轮(26)，圆锥齿轮(26)与中介圆锥齿轮(27)啮合，中介圆锥齿轮(27)又与圆锥齿轮(28)啮合；圆锥齿轮(28)与超越离合器(29)的外环用螺钉固联，超越离合器(29)的内环与主轴(23)籍花键啮合，中介圆锥齿轮(27)籍花键与起动/发电机相连接；圆锥齿轮(26)，中介圆锥齿轮(27)，圆锥齿轮(28)，超越离合器(29)构成完整的动力合流机构；换热管(40)和拉杆螺栓套管(44)安插于换热管座板(37)和换热管座板(燃烧室外壳)(38)的安装孔内，套好回热器集气壳(43)，两端盖上回热器机匣盖(35)、(39)，用拉杆螺栓(41)(从拉杆螺栓套管(44)中穿过)和拉杆螺母(42)联接固定；回热器集气壳(43)上有与排气管(图中未画)相联的安装边；轴承座(2)与端盖(1)用螺钉固联，端盖(1)与进气机匣(7)上的安装边用螺钉固联，进气机匣(7)上的另一安装边与燃烧室内壳(13)上的安装边用螺钉固联。燃烧室内壳(13)上的另一安装边与回热器机匣盖(39)上的安装边用螺钉固联。轴承支撑架(31)与动力合流机匣(33)用螺钉固联。回热器机匣盖(35)上的安装边与切向冲击涡轮支撑机匣(34)上的安装边用螺钉固联，切向冲击涡轮支撑机匣(34)上的另一安装边与动力合流机匣(33)上的安装边用螺钉固联，动力合流机匣(33)上的另一安装边与端盖(30)用螺钉固联。中心齿轮轴(5)籍轴承分别支撑在端盖(1)和燃烧室内壳(13)的轴承座上；内齿轮及轴(6)籍轴承支撑在进气机匣(7)上；主轴(23)籍轴承分别支撑在轴承支撑架(31)和端盖(30)上；旋转喷气涡轮轴(16)一端籍花键与中心齿轮轴(5)轴伸花键啮合，另一端籍旋转喷气涡轮盘(19)与主轴(23)用螺钉固联；切向冲击涡轮轴(25)籍轴承分别支撑在切向冲击涡轮支撑机匣(34)和轴承支撑架(31)上；中介圆锥齿轮(27)与轴一体，籍轴承支撑在动力合流机匣(33)的轴承座上。

Claims (7)

1、一种对转旋喷发动机，在回热器的一端装有进气机匣，进气机匣内装有NGW机构，另一端装有圆锥齿轮-超越离合器动力合流机构，在回热器的内腔，装有对转轴流压气机、对转离心压气机、环形燃烧室、旋转火焰筒、对转涡轮，其特征是：环形燃烧室内壳的内腔装有对转轴流压气机，其出口与对转离心压气机进口相对应，对转离心压气机出口与回热器一端腔相通，回热器另一端腔与环形燃烧室进气口相通，环形燃烧室内装有旋转火焰筒，旋转火焰筒与对转涡轮中的旋转喷气涡轮固联，对转涡轮通过各自的轴系分别与圆锥齿轮-超越离合器动力合流机构中对应的圆锥齿轮和超越离合器内环连接，圆锥齿轮-超越离合器动力合流机构中的中介圆锥齿轮籍花键与起动/发电机相连接。

2、根据权利要求1所述的对转旋喷发动机，其特征是：中心齿轮轴上装有轴流压气叶轮，NGW机构的输出轴上装有另一轴流压气叶轮，二者旋转方向相反，构成对转轴流压气机。

3、根据权利要求1所述的对转旋喷发动机，其特征是：旋转喷气涡轮上设有轴向进气口、离心压气叶片(即散热翅片)和切向喷口，其外圈装有切向冲击涡轮，切向冲击涡轮上设有切向涡轮叶片和离心压气叶片(即散热翅片)，旋转喷气涡轮和切向冲击涡轮二者嵌合，旋转方向相反，旋转喷气涡轮的切向喷口与切向冲击涡轮的切向涡轮叶片相对应，构成对转涡轮，旋转喷气涡轮的离心压气叶片与切向冲击涡轮的离心压气叶片相对应，构成对转离心压气机。

4、根据权利要求1所述的对转旋喷发动机，其特征是：旋转喷气涡轮轴的一端装有导风轮、旋转喷气涡轮和旋转喷气涡轮盘，另一端与中心齿轮轴籍花键啮合，旋转喷气涡轮盘与主轴籍螺钉固联，主轴与超越离合器内环籍花键啮合。

5、根据权利要求1所述的对转旋喷发动机，其特征是：回热器的翅片式换热管和拉杆螺栓套管两端安插于换热管座板的安装孔内，外圈装有回热器集气壳，两端装有回热器机匣盖，拉杆螺栓从回热器机匣盖和拉杆螺栓套管中穿过，用拉杆螺母联接固定，回热器集气壳上设有与排气管(图中未画)相连的安装边。

6、根据权利要求1所述的对转旋喷发动机，其特征是：旋转火焰筒的内、外壁上开有许多轴线平行于切向但不过切点的小孔，外壁小孔前移，内壁小孔后移(顺着切向看)，旋转火焰筒出口与旋转喷气涡轮轴向进气口相对应。

7、根据权利要求1所述的对转旋喷发动机，其特征是：切向冲击涡轮轴上装有一圆锥齿轮，圆锥齿轮与中介圆锥齿轮啮合，中介圆锥齿轮又与另一圆锥齿轮啮合，另一圆锥齿轮与超越离合器的外环用螺钉固联，两个圆锥齿轮轴线重合，中介圆锥齿轮轴线与其垂直，构成圆锥齿轮-超越离合器动力合流机构。

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